綜合物探方法在地面塌陷成因分析中的應(yīng)用

王國云 游連強 閆維華 倪澤森 楊藝

摘 要：【目的】查明貴州某地地面塌陷的形成原因?！痉椒ā扛鶕?jù)現(xiàn)場地質(zhì)背景及巖溶發(fā)育情況，結(jié)合塌陷區(qū)巖溶發(fā)育、地下水徑流及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，采用高密度電法、音頻大地電磁法及充電法等綜合物探方法對其不良地質(zhì)體進行勘查。【結(jié)果】通過高密度電法查清了地表覆蓋層厚度及巖溶發(fā)育的空間位置；通過音頻大地電磁法查清了塌陷區(qū)的節(jié)理裂隙發(fā)育帶；通過充電法大致查清了地下水徑流方向及位置。【結(jié)論】該地區(qū)地面塌陷的主要原因是某隧道開挖破壞了當?shù)氐牡叵滤胶?，地表形成“土洞”，最終導(dǎo)致的地面塌陷。

關(guān)鍵詞：綜合物探方法；地面塌陷；充電法；高密度電法；音頻大地電磁法

中圖分類號：P631；P642.26? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0110-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.023

Abstract： [Purposes] To find out the causes of ground collapse in Guizhou. [Methods] According to the geological background and karst development of the site， combined with the karst development， groundwater runoff and joint fissure development in the subsidence area， the high-density electrical method， audio magnetotelluric method and charging method were used to explore the unfavorable geological bodies. [Findings] The thickness of the surface overburden and the spatial location of karst development were clarified by high-density electrical method. The joint fracture development zone in the collapse area was identified by audio geomagnetism. The direction and location of groundwater runoff were roughly determined by the charging method. [Conclusions] The main reason for the ground collapse in this area is that the excavation of a tunnel destroys the local groundwater balance， and the surface forms a "soil cave"， which eventually leads to ground collapse.

Keywords： comprehensive geophysical method; ground subsidence; charging method; high-density electric method; audio geodetic electromagnetic method

0 引言

2020年以來，貴州某地頻繁出現(xiàn)地面塌陷、泉水干枯、地面裂縫等不良地質(zhì)環(huán)境問題，造成村民房屋受損、農(nóng)田耕作困難，嚴重影響了村民的正常生產(chǎn)生活和安全。當?shù)鼐用駪岩稍搮^(qū)出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害是附近某隧道施工造成的。為切實保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一0四地質(zhì)大隊組織開展工作。本次物探工作采用高密度電法、音頻大地電磁法以及充電法等綜合物探方法為災(zāi)害論證提供物探依據(jù)。

1 塌陷區(qū)水文地質(zhì)及地球物理特征

1.1 塌陷區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，塌陷區(qū)位于山江背斜西北翼，塌陷區(qū)中心距離山江背斜軸部約1 900 m。區(qū)域性地質(zhì)調(diào)查表明，在塌陷區(qū)中部發(fā)育有兩條相交的正斷層F1、F2。F1斷層近南北走向，傾角約80°，F(xiàn)2斷層走向約90°，傾角約75°。F2斷層把F1斷層切斷，錯斷距離約39 m。巖層產(chǎn)狀在59°～296°∠6°～29°區(qū)間變化［1］。受到地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)因素的影響，次生構(gòu)造較發(fā)育，如節(jié)理、裂隙等，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，塌陷區(qū)主要發(fā)育2組優(yōu)勢節(jié)理。第一組JL1產(chǎn)狀為134°∠61°，節(jié)理面張開約0～9 mm，鈣質(zhì)充填，約1～2條/m，經(jīng)露頭觀測，節(jié)理裂隙能較好連通，節(jié)理面起伏較大，結(jié)合較差；第二組JL2產(chǎn)狀為137°∠75°，節(jié)理面張開約1～7 mm，充填鐵質(zhì)，約2～6條/m，經(jīng)地表露頭觀察，裂隙連通性較差，節(jié)理面起伏不平，結(jié)合一般。綜上所述，調(diào)查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬較復(fù)雜類型［1］。

1.2 塌陷區(qū)水文地質(zhì)特征

塌陷區(qū)地表浮土厚度約0～11 m，多為巖溶剝蝕形成的紅黏土、風化坡積層黏土等。結(jié)構(gòu)較疏松，力學(xué)強度不高，可壓縮性較高。塌陷區(qū)主要出露巖性為灰?guī)r及白云巖等碳酸鹽巖，巖石結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)地堅硬，屬于較堅硬類型巖層，具有較強的抗壓性以及抗風化能力，巖體基本屬于Ⅱ、Ⅲ類，穩(wěn)定性較好，具備較好的工程地質(zhì)條件，但這類巖石巖溶發(fā)育較強烈［1］。

地面塌陷區(qū)屬于中間低四周高的低洼地形，測區(qū)地下水的主要補給來源為雨水等大氣降水，在灰?guī)r及白云巖出露地區(qū)，地下水主要來源于大氣降水，地下水沿斷層、破碎帶、巖溶管道以及節(jié)理裂隙密集帶等水流通道進行運移，以地下暗河、泉眼等形式在地勢相對較低處排泄。地下水主要集中在巖溶通道、破碎帶、節(jié)理裂隙帶等易含水的地質(zhì)體中。

1.3 塌陷區(qū)地球物理特征

根據(jù)收集鄰區(qū)及相似地區(qū)地層巖性的電性資料，結(jié)合工作時觀測到的巖層出露情況、收集到的地質(zhì)資料以及剖面電阻率測量結(jié)果，得出該工區(qū)巖石電性參數(shù)，見表1。

根據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果綜合分析得出本工作區(qū)地層巖性的電性特征如下：

①區(qū)內(nèi)出露基巖主要為灰?guī)r、白云巖以及第四系浮土層，灰?guī)r及白云巖的電阻率值相對大，平均值大于2 000 Ω·m，第四系浮土的電阻率值相對較低，約為幾十Ω·m到一百Ω·m，所以塌陷區(qū)灰?guī)r及白云巖地層與第四系浮土之間電阻率值相差較大［2-5］。

②淺部的基巖因風化剝蝕，受地下水、地表水及大氣降水影響，含水量高，呈現(xiàn)為相對低阻區(qū)域，地勢低洼處低阻區(qū)域較深，地勢較高處無低阻或低阻區(qū)域較淺，往深部完整基巖呈現(xiàn)高電阻區(qū)，在谷坡和山脊地帶地下水埋藏較深區(qū)為相對高電阻率區(qū)［2-5］。

③斷層破碎帶及節(jié)理裂隙發(fā)育帶是地下水運移、富集的區(qū)域，相比較完整基巖呈現(xiàn)相對低電阻區(qū)。

④斷層破碎帶及深度節(jié)理裂隙發(fā)育帶往往呈下凹型及“V”字形連續(xù)相對低電阻區(qū)［6-7］。

⑤塌陷區(qū)白云巖及灰?guī)r分布范圍較廣，溶蝕及巖溶現(xiàn)象隨處可見，地下水徑流通道主要為巖溶空洞、巖溶裂隙、巖溶管道，是本次物探勘查的目的層［8］。

⑥塌陷區(qū)存在水量泉眼，可作為充電法工作的充電點。

綜上，塌陷區(qū)內(nèi)目的層與完整巖石的電性差異較明顯，具備開展物探工作的物性依據(jù)。

2 工作方法技術(shù)

本次物探工作主要探測地下巖溶發(fā)育、節(jié)理裂隙及地下水徑流與隧道的連通情況，針對路面塌陷勘查布置5條高密度測線、5條音頻大地電磁法（EH-4）測線、1個充電點（6條充電測線）。物探工作充電法測點為未干枯溶洞，該溶洞內(nèi)部水流流向為南西向，為隧道方向，且隧道內(nèi)有涌水點，故充電法測線布設(shè)為南東向，垂直于推測水流方向布設(shè)，目的是隧道內(nèi)涌點水流是否來源于塌陷區(qū)。音頻大地電磁法測線基本與隧道走向及充電測線平行，目的是探測塌陷區(qū)與隧道之間有無節(jié)理裂隙帶及斷層發(fā)育。因音頻大地電磁法測量淺部有盲區(qū)，故布設(shè)高密度電法與音頻大地電磁法局部重合，對音頻大地電磁法淺部信息進行補充。故本次物探工作采用高密度電法、音頻大地電磁法及充電法為災(zāi)害論證提供物探依據(jù)。

3 工作方法原理

3.1 高密度電法

高密度電法是以不同地質(zhì)體之間的導(dǎo)電性差異作為物質(zhì)基礎(chǔ)，研究人為施加恒定電流的作用下，地下空間的電場分布特征的一種地球物理勘探方法［2］。本次測量使用的是西安澳立華勘探開發(fā)有限責任公司生產(chǎn)的多通道、超高密度直流電法勘探系統(tǒng)，該儀器既可以選擇常規(guī)的數(shù)據(jù)采集裝置，又可以選擇用戶自定義的數(shù)據(jù)采集裝置進行電法測量。

3.2 音頻大地電磁法

本次物探勘查采用EH4型StrataGem電磁系統(tǒng)，理論上可探測到地下幾米到一千米區(qū)間內(nèi)的電性特征，通過對剖面電阻率特征的處理和分析，可應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造、金屬礦、斷裂型礦產(chǎn)的找礦突破，水井鉆孔定位、工程勘查、尾礦庫處理等領(lǐng)域。它利用天然源的電磁場信號作為一次場，又叫激發(fā)場源，該激發(fā)場源是平面電磁波，垂直入射到地下地質(zhì)體中，由電磁場理論可知，地下地質(zhì)體會因此產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，該感應(yīng)電磁場與激發(fā)場是相同頻率的，引入波阻抗Z。在水平、均勻、層狀大地情況下，波阻抗Z是磁場H的水平分量除以電場E的值［4］。計算公式為式（1）至式（3）。

式中：f是頻率，Hz；ρ是電阻率，Ω·m；E是電場強度，mv/km；H是磁場強度，nT；φH是磁場相位，φE是電場相位，mrad。在電磁理論中，把電場和磁場（E、H）在地下空間中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為趨膚深度或穿透深度（δ）［4-5］，計算公式為式（4）。

由式（4）可知，穿透深度（δ）將根據(jù)頻率（f）和電阻率（ρ）的變化而變化。通常情況下，高頻數(shù)據(jù)主要突出的是淺部的電性特征，低頻數(shù)據(jù)主要突出的是深部電性特征。因此，根據(jù)磁場和電場特性計算出視電阻率值和相位，就可以推測出大地的電性特征和地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，這就是EH4觀測系統(tǒng)的方法及原理［4-6］。

3.3 充電法

充電法是根據(jù)不同地質(zhì)體的電性差異，通過測量和分析良好導(dǎo)體充電后，產(chǎn)生的二次場和激發(fā)場合成的總電場的分布規(guī)律，探測充電體的平面分布位置、走向及規(guī)模等，以此解決地下金屬礦體的平面位置、連通關(guān)系及走向、地下水徑流、滑坡面等地質(zhì)問題［3-4］。充電法的實施前提是具目標體連續(xù)，該方法對于串珠狀斷裂型金屬礦的勘查效果不佳。

4 物探成果展示

4.1 高密度電法

高密度電法典型剖面如圖1所示。根據(jù)測量結(jié)果，高密度電法能較好地判斷出巖土分界面及巖溶通道位置，且?guī)r溶上方為土層，當隱伏溶洞上覆的浮土等堆積物中的有機質(zhì)、膠結(jié)物等物質(zhì)被大量帶走，在覆蓋層中形成土質(zhì)空洞即“土洞”，導(dǎo)致地表下面脫空，后期地下應(yīng)力失衡后“土洞”崩塌進而導(dǎo)致地表形成塌陷及地面開裂等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法典型剖面如圖2所示。斷裂貫穿地表塌陷區(qū)及某隧道標高，當隧道開挖破壞地下水平衡時，地下水通過隧道流走，間接導(dǎo)致地面塌陷，所以音頻大地電磁法能較好地推測出塌陷區(qū)的節(jié)理裂隙帶。

4.3 充電法

充電法典型剖面如圖3所示。本次物探充電法測量儀器采用湖南繼善高科生產(chǎn)的SQ-5型雙頻激電儀，頻率選擇4 Hz和4/13 Hz，所求的二次場[?U]等效為觀測得到的電位差的絕對值[?U]MN。根據(jù)充電場的特性，當電位梯度曲線形狀呈現(xiàn)“M”形時，兩側(cè)極大值中間的極小值（趨近于0值）處即為地下水流的位置，通過多條平行測線，最終確定地下水的徑流方向［3-4］。

5 結(jié)論

①塌陷區(qū)地下巖溶發(fā)育密集，斷裂貫穿地表塌陷區(qū)及某隧道。地表水經(jīng)落水洞、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙帶等流入地下，通過巖溶通道、節(jié)理裂隙、斷裂破碎帶等自北東向南西徑流運移，期間隱伏溶洞上覆的浮土等堆積物中的有機質(zhì)、膠結(jié)物等物質(zhì)被大量帶走，在覆蓋層中形成土質(zhì)空洞即“土洞”，導(dǎo)致地表下面脫空，后期地下應(yīng)力失衡后“土洞”崩塌進而導(dǎo)致地表形成塌陷及地面開裂等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

②采用音頻大地電磁法、充電法以及高密度電法綜合物探勘查，可以較準確地確定塌陷區(qū)地下管道的發(fā)育方向和位置，其中充電法電位梯度等值線圖直觀地反映巖溶管道的平面分布情況，高密度電法視電阻率等值線圖可以圈定管道在測線上的空間分布位置，音頻大地電磁法視電阻率等值線圖能有效地識別深大斷裂及節(jié)理裂隙帶，效果較為明顯。此外，三者結(jié)合還可以有效地相互驗證。

③高密度電法可以有效地探測第四系厚度［2］。通過該塌陷區(qū)物探成果分析，充電法對地下水徑流位置的查找效果明顯，高密度電法對于淺部的巖溶發(fā)育及巖土分界面探測效果較好，音頻大地電磁法對深部節(jié)理裂隙發(fā)育帶的勘查效果明顯。因此，對于地面塌陷成因分析，綜合物探方法至關(guān)重要。

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收稿日期：2023-02-23

作者簡介：王國云（1996—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程物探、礦產(chǎn)物探等；游連強（1969—），男，?？?，高級工程師，研究方向：工程物探、礦產(chǎn)物探等；閆維華（1985—），男，碩士，高級工程師，研究方向：工程物探、礦產(chǎn)物探等；倪澤森（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程物探、礦產(chǎn)物探等；楊藝（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程物探、礦產(chǎn)物探等。